一种兼容多现场总线协议的工业无线网关装置的制作方法

1.本技术涉及工业通信转换技术领域，尤其是涉及一种兼容多现场总线协议的工业无线网关装置。


背景技术：

2.现场总线因其实时性好、稳定性高、智能化等优点在工业通信领域发挥着举足轻重的作用，但当工业环境恶劣或现场设备过于分散，布线困难和传输距离受限成为现场总线不可避免的问题。近几年，zigbee技术因具备低成本、低功耗、组网灵活等众多优势，已成为工业无线通信技术中备受关注的技术之一，但工业现场的现场总线标准有十多种，其中profibus-dp总线、can总线、modbus tcp工业以太网使用最为广泛，这些总线之间具有异构性，互操作难度较大等问题，要实现异构总线之间的信息交换，就需要进行协议转换。
3.现有技术中，如“一种工业无线网关装置”和“一种zigbee网络和can总线协议转换器”等专利都是设计的zigbee无线网络向一种现场总线转换，再比如专利“基于无线zigbee、can总线和modbus tcp的多协议转换设备及其实现方法”，虽然也研究了多种现场总线与无线网络互联的问题，但协议转换的方法是直接将多个单协议网关模型简单组合成多协议网关通信模型，这种协议转换方式效率低下，通信速度慢，当遇到多种现场总线网络同时访问现场终端设备或节点时，会出现通信冲突等问题，因此，本发明人认为现有的多种现场总线的协议转换方式还需要进一步改进。


技术实现要素：

4.为了现有技术的缺陷，本技术提供一种兼容多现场总线协议的工业无线网关装置，能够将zigbee无线传感器网络与多种现场总线进行协议转换，解决异构网络之间协议不匹配、通信效率低的问题，有助于提高多现场总线的协议转换效率，减少通信冲突。
5.第一方面，本技术提供一种兼容多现场总线协议的工业无线网关装置，所述装置包括微处理器模块、profibus-dp通信模块、can通信模块、modbus tcp通信模块以及zigbee通信模块；所述微处理器模块分别与profibus-dp通信模块、can通信模块、modbus tcp通信模块以及zigbee通信模块连接；
6.所述profibus-dp通信模块用于与预设的profibus-dp总线网络通信连接，并用于作为profibus-dp主干网络的从节点；
7.所述can通信模块用于与预设的can总线网络通信连接，并用于作为can主干网络的从节点；
8.所述modbus tcp通信模块用于与预设的modbus tcp工业以太网络通信连接，并用于作为modbus tcp主干网络的从节点；
9.所述zigbee通信模块用于与预设的zigbee无线传感器网络通信连接并用于作为zigbee无线传感器网络接入的主节点；
10.所述微处理器模块用于采用预设的多协议转换通信模型对profibus-dp通信模
块、can通信模块、modbus tcp通信模块以及zigbee通信模块进行控制，将zigbee无线传感器网络和多种现场总线网络进行协议转换。
11.可选的，所述装置还包括电源模块，所述电源模块分别与所述微处理器模块、profibus-dp通信模块、can通信模块、modbus tcp通信模块以及zigbee通信模块连接，以提供电源。
12.可选的，所述profibus-dp通信模块包括协议芯片、第一光电隔离电路和驱动器，所述微处理器模块与所述协议芯片连接，所述协议芯片与所述第一光电隔离电路连接，所述第一光电隔离电路与所述驱动器连接，所述驱动器与预设的profibus-dp总线网络连接。
13.可选的，所述can通信模块包括can控制器、第二光电隔离电路和can总线收发器，所述can控制器通过所述第二光电隔离电路与所述can总线收发器连接，所述can总线收发器与预设的can总线网络连接。
14.可选的，所述modbus tcp通信模块包括以太网控制器、以太网物理层接口芯片以及以rj-45网络接口，所述以太网控制器与所述以太网物理层接口芯片连接，所述以太网物理层接口芯片与所述rj-45网络接口连接，所述rj-45网络接口与预设的modbus tcp工业以太网络连接。
15.可选的，所述zigbee通信模块采用cc2530芯片，所述微处理器模块通过预设的uart串口与所述cc2530芯片连接，所述cc2530芯片连接预设的zigbee无线传感器网络。
16.可选的，所述can控制器和以太网控制器内置集成于所述微处理器模块内。
17.可选的，所述微处理器模块采用stm32f407zgt6芯片。
18.可选的，所述profibus-dp通信模块的协议芯片采用spc3芯片。
19.可选的，所述profibus-dp通信模块的驱动器采用rs485型号器件。
20.本技术包括以下有益技术效果：
21.本技术的无线网关装置在不破坏原网络结构的情况下直接接入，该无线网关装置可以看作为主干网络的从节点和接入网的主节点，实现保护原有网络结构，并且将相对小规模的异构网络集成入主干网络中；对于profibus-dp主干网络、can主干网络和modbus tcp主干网络，无线网关装置作为从站点；对于zigbee无线传感器网络，无线网关装置作为主站点，即zigbee无线传感网络的协调器，并于将zigbee终端节点设备通过无线的方式接入profibus-dp主干网络、can主干网络和modbus tcp主干网络里，组成可移动的混合工业网络，从而实现了多种现场总线网络与zigbee无线传感器网络的互联，解决异构网络之间协议不匹配的问题，有助于提高通信效率，减少通信冲突。
附图说明
22.图1是本实用新型提供的兼容多现场总线协议的工业无线网关装置一种实施例的原理框图；
23.图2是本实用新型提供的兼容多现场总线协议的工业无线网关装置另一种实施例的原理框图；
24.附图标记说明：1、微处理器模块；2、profibus-dp通信模块；21、协议芯片；22、第一光电隔离电路；23、驱动器；3、can通信模块；31、can控制器；32、第二光电隔离电路；33、can总线收发器；4、modbus tcp通信模块；41、以太网控制器；42、以太网物理层接口芯片；43、
rj-45网络接口；5、zigbee通信模块；6、电源模块。
具体实施方式
25.以下结合附图1-2对本技术作进一步详细说明。
26.本技术实施例公开一种兼容多现场总线协议的工业无线网关装置，参照图1，该装置包括微处理器模块1、profibus-dp通信模块2、can通信模块3、modbus tcp通信模块4以及zigbee通信模块5；所述微处理器模块1分别与profibus-dp通信模块2、can通信模块3、modbus tcp通信模块4以及zigbee通信模块5连接。
27.所述profibus-dp通信模块2用于与预设的profibus-dp总线网络通信连接，并用于作为profibus-dp主干网络的从节点；所述can通信模块3用于与预设的can总线网络通信连接，并用于作为can主干网络的从节点；所述modbus tcp通信模块4用于与预设的modbus tcp工业以太网络通信连接，并用于作为modbus tcp主干网络的从节点；所述zigbee通信模块5用于与预设的zigbee无线传感器网络通信连接并用于作为zigbee无线传感器网络接入的主节点；所述微处理器模块1用于采用预设的多协议转换通信模型对profibus-dp通信模块、can通信模块、modbus tcp通信模块以及zigbee通信模块进行控制，将zigbee无线传感器网络和多种现场总线网络进行协议转换。
28.在本实施例中，多协议转换通信模型包括硬件驱动层、协议栈层以及应用程序层；硬件驱动层用于完成各通信接口的数据发送和数据接收，包括profibus-dp网络接口的驱动、can网络接口的驱动、modbus tcp工业以太网接口的驱动和zigbee无线网络接口的驱动。协议栈层用于分别完成profibus-dp总线、can总线、modbus tcp工业以太网与zigbee网络协议的报文封装和解析。应用程序层用于对命令报文进行解析、处理数据报文，根据命令报文或数据报文进行不同响应。
29.在一个具体应用实例中，多协议转换通信模型采用数据缓冲和命令缓冲机制，建立统一的数据缓冲区和读写命令队列，数据缓冲区包括读缓冲区和写缓冲区，读缓冲区缓存无线网关装置采集到的zigbee终端节点的数据，写缓冲区缓存主干网络设备访问无线网关装置时发出的写命令。读写命令队列用于为数据缓冲提供服务，包括读命令队列和写命令队列，读命令队列存放无线网关装置自动轮询zigbee终端节点设备的读命令，写命令队列存放主干网络设备的写命令信息。写命令队列采用fifo机制，当有多个并发的主干网络设备同时对终端节点设备进行写命令时，通过fifo机制下的写命令队列，逐一发给终端节点设备，从而避免两种或多个主干网络设备同时访问同一个zigbee终端节点设备时发生的通信冲突问题。
30.参照图2，本实施例的兼容多现场总线协议的工业无线网关装置还包括电源模块6，所述电源模块6分别与所述微处理器模块1、profibus-dp通信模块2、can通信模块3、modbus tcp通信模块4以及zigbee通信模块5连接，为五个通信模块提供所需电源。
31.在本实施例中，所述profibus-dp通信模块2包括协议芯片21、第一光电隔离电路22和驱动器23，所述微处理器模块1与所述协议芯片21连接，所述协议芯片21与所述第一光电隔离电路22连接，所述第一光电隔离电路22与所述驱动器23连接，所述驱动器23与预设的profibus-dp总线网络连接。在本实施例中，协议芯片采用spc3芯片，驱动器采用rs485型号的驱动器件。需要说明的是，profibus-dp通信模块作为profibus-dp网络从站，可以与
profibus-dp网络主转进行通信。
32.在本实施例中，can通信模块3包括can控制器31、第二光电隔离电路32和can总线收发器33，所述can控制器31通过所述第二光电隔离电路32与所述can总线收发器33连接，所述can总线收发器33与预设的can总线网络上的can接口设备通信。在本实施例中，第一光电隔离电路和第二光电隔离电路采用光电耦合器，比如4n25型号的光电耦合器，在其他实施例中，可以根据实际需要更换光电耦合器的型号。
33.在本实施例中，所述modbus tcp通信模块4包括以太网控制器41、以太网物理层接口芯片42以及以rj-45网络接口43，所述以太网控制器41与所述以太网物理层接口芯片42连接，所述以太网物理层接口芯片42与所述rj-45网络接口43连接，所述rj-45网络接口43与预设的modbus tcp工业以太网络上的modbus tcp接口设备通信。在本实施例中，以太网控制器支持modbus tcp工业以太网协议。
34.在本实施例中，所述zigbee通信模块5采用cc2530芯片及其外围电路，所述微处理器模块1通过预设的uart串口与所述cc2530芯片连接，所述cc2530芯片连接预设的zigbee无线传感器网络。需要说明的是，zigbee通信模块作为zigbee无线传感器网络的协调器，组建zigbee网络，可以与zigbee路由器节点或终端节点设备进行无线通信。
35.在本实施例中，微处理器模块1采用工业级芯片stm32f407zgt6，有助于提高处理速度，并且stm32f407zgt6芯片内部集成can控制器31和以太网络控制器41，以便于简化硬件电路。
36.本实施例的兼容多现场总线协议的工业无线网络装置的工作原理：通过以微控制器模块为核心，分别对profibus-dp通信模块、can通信模块modbus tcp通信模块以及zigbee通信模块进行控制，通过预设的多协议转换通信模型，实现zigbee无线传感器网路与多种现场总线之间的协议转换。
37.本实施例的兼容多现场总线协议的工业无线网关装置在不破坏原网络结构的情况下直接接入，该无线网关装置可以看作为主干网络的从节点和接入网的主节点，实现保护原有网络结构，并且将相对小规模的异构网络集成入主干网络中；对于profibus-dp主干网络、can主干网络和modbus tcp主干网络，本实施例的无线网关装置作为从站点，对于zigbee无线传感器网络，本实施例的无线网关装置作为主站点，即zigbee无线传感网络的协调器。本实施例的无线网关装置可将zigbee终端节点设备通过无线的方式接入profibus-dp主干网络、can主干网络和modbus tcp主干网络里，组成可移动的混合工业网络，从而实现了多种现场总线网络与zigbee无线传感器网络的互联，解决异构网络之间协议不匹配的问题，有助于提高通信效率，减少通信冲突。
38.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本实用新型实施例的实施过程构成任何限定。
39.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。